徐州地铁车站含砂姜黏土层水土压力研究

胡恒帅

（徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏 徐州 221000）

目前，地下水位以下的土压力计算有两种模式，即水土分算和水土合算。文章通过车站基坑现场原位监测，直接获得作用于围护结构体上的实际水土压力，并与设计计算数值进行对比，以指导基坑的实际设计、施工；同时根据砂姜含量大小及渗透系数大小，提出了水土压力计算的混合算法。

1 工程概况、监测布置及监测结果分析

1.1 车站概况

二环北路站是徐州市城市轨道交通2号线的第5站，位于中山北路与二环北路交叉路口西北象限，沿中山北路南北向设置，处于徐运新河以南。车站为12m岛式站台，地下2层双跨、三跨矩形框架结构。

1.2 监测布置

文章以徐州市轨道交通2号线二环北路站基坑工程为工程案例，在基坑抽水试验区分别布设1组土压力、1组孔隙水压力，监测其孔隙水压力和土压力，监测点布置在不同深度的土层内，如表1所示。

表1 监测点对应土层

1.3 监测结果及试验分析

自基坑降水开始，基坑开挖至3.0m时，得到水土压力实测数据如表2所示。

通常认为，黏土层中结合水不传递静水压力，将土体中土压力和水压力合在一起按饱和重度考虑，即采用水土合算。但由于砂姜结石的存在，使得含砂姜土层的物理力学性质发生较大的改变，土层渗透性增强，水土合算是否能真实反映含砂姜黏土层的力学特性值得探讨。对此，通过对含砂姜黏土层不同深度处的水压力和土压力进行现场试验监测，结合水土分算与合算的理论计算，以期验证水土压力分、合算的计算方法，为后续类似工程提供借鉴[1-2]。现场试验涉及土层如表3所示。

表3 现场试验涉及土层参数一览表

现场试验时，地下水位为地面以下4m，土的重度为18kN/cm3，饱和重度取20kN/cm3，水土分算、合算和试验监测结果如表4所示。

根据水土分算和水土合算以及试验监测结果对比分析，得到水土压力曲线，如图1所示。

表4 水土分算、合算和试验监测结果对比一览表

图1 水土压力对比曲线

当土层为含砂姜黏土层时，水土压力实际监测结果介于水土分算值与水土合算值之间，但较接近于水土分算结果。因此严格来说，对于砂姜黏土层，并不能采用单一的水土分算或水土合算计算方法。

2 水土混合算法研究

基于前述水土分、合算法的试验分析可知，任何单一的水土分算或水土合算均不能很好地表征砂姜黏土层的物理力学性质。砂姜黏土层特殊的力学性质主要由砂姜结石所导致，考虑砂姜结石在砂姜黏土层中的含量及空间分布特征，提出针对性的混合算法：

式中：Pa和Pp为主动和被动土压力；α为砂姜层中砂姜结石的特征系数（考虑含量和分布特征）；Pah和Paf分别为水土合算和分算的主动土压力；Pph和Ppf分别为水土合算和分算的被动土压力。根据全芯钻孔试验可知，砂姜结石的空间分布无规律，故此次不考虑空间分布特征，仅将含量作为此次分析的取值依据[3-4]。

根据此研究，由于砂姜结石含量与该土层的渗透系数具有正相关性，而渗流作用对围护结构影响也可通过渗透系数反映，因此系数α的确定须基于砂姜含量大小并考虑流固耦合作用。

当土层中没有砂姜结石时，即为正常黏土层，此时α取值为0，混合算法退化为水土合算；当砂姜结石含量为100%时，即土层中全部为砂姜结石，此时α取值为1，混合算法退化为水土分算；砂姜结石含量为3%～13.7%时，系数α迅速从0.1增大到0.8。故砂姜结石含量相对较少的砂姜黏土层，取α为0.1；对于砂姜含量相对较多的土层，取α为0.85。据此进行计算，不同算法结果的对比曲线如图2所示。

图2 不同算法的比较曲线

由图2可知，由于考虑了砂姜含量，采用提出的混合算法计算砂姜黏土层水土压力比水土分算和合算更加接近现场实测数据，在一定程度上避免了单一分算或合算计算的误差，更加符合砂姜层实际情况。

3 结论

（1）对于含砂姜黏土层的围护结构水土压力计算，通过理论公式与现场土压力监测数据对比发现，水土压力现场实测结果介于水土分算结果与水土合算之间，因此对于砂姜黏土层，不宜采用单一的水土分算或水土合算计算方法。分析场地工点所处地段含砂姜含量较大，渗透性较强，土性更接近砂性土，故场地土压力监测结果值与水土分算时水土压力值更为接近。

（2）通过引入砂姜结石特征系数α，提出了考虑砂姜结合含量以及渗流流固耦合效应的混合算法，并采用对比分析和数值分析讨论了算法的合理性，在一定程度上避免了单一分算或合算计算的跳跃性，更加符合砂姜黏土层实际情况。